車載自組織網(wǎng)絡(luò)中并發(fā)廣播沖突研究

葛 晨,孫 寧,肖廣兵

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,南京 210037)

0 引言

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicle-mounted Ad hoc network,VANET)作為智能交通系統(tǒng)[1](intelligent traffic system，ITS)的核心框架載體，通過車-車(vehicle to vehicle,V2V)通信、車-路(vehicle to infrastructure,V2I)通信等實現(xiàn)道路安全信息在人-車-路之間的交互共享，以提高出行效率、保障行車安全。目前，基于VANET網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)可分為安全性相關(guān)與舒適性相關(guān)兩大類。安全性相關(guān)應(yīng)用是指人-車-路交互共享與交通安全相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如剎車預(yù)警、碰撞預(yù)警、超車預(yù)警等，以提高道路交通安全。舒適性相關(guān)應(yīng)用是指通過人-車-路交互共享非安全相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如影音共享、車載游戲等，提升駕乘體驗。針對安全性應(yīng)用，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)在合作式智能交通系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(cooperative intelligence transport systems,C-ITS)中定義了合作感知消息(cooperative awareness message,CAM)的概念；建議每個車輛周期性廣播自身的CAM消息，其中包含地理位置、實時車速、安全警告等內(nèi)容；通過與周圍臨近的車輛、智能路基設(shè)施等交換當(dāng)前的運行狀態(tài)和道路交通信息，增強對交通安全隱患的協(xié)同防控能力。然而，VANET作為一個典型的分布式網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)信息交互的過程中僅能獲取局部人-車-路信息，加之車輛快速移動使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，會頻繁引發(fā)并發(fā)廣播沖突問題[2]。

由此可見，并發(fā)廣播沖突問題已經(jīng)成為制約VANET網(wǎng)絡(luò)性能，特別是安全性相關(guān)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。解決VANET網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在的并發(fā)廣播沖突問題，從而實現(xiàn)人-車-路之間道路安全信息的可靠、實時交互，具有現(xiàn)實的理論研究需求和工程實踐意義。因此，本文針對目前適用于VANET網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)廣播沖突解決方案進(jìn)行了分類，并闡述了當(dāng)前的并發(fā)廣播沖突問題研究現(xiàn)狀。

1 VANET網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 VANET網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)的基本框架主要由車輛、行人、路基單元(road unit side,RSU)、通信服務(wù)商等組成。車輛、行人和路基單元是VANET網(wǎng)絡(luò)中的基本節(jié)點，通過裝備智能移動單元，如車載設(shè)備(on board unit,OBU)等，實現(xiàn)信息在人-車-路之間的數(shù)據(jù)信息交互。通信服務(wù)商則為基本節(jié)點提供信息接入服務(wù)，如數(shù)據(jù)上傳/下載、后臺數(shù)據(jù)更新等。需要注意的是，車輛、行人和路基單元等基本節(jié)點不僅能夠通過通信服務(wù)商直接進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，還需要與周圍臨近的其他基本節(jié)點通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，以獲取更為全面、綜合的道路信息。

車載自組織網(wǎng)絡(luò)的基本框架如圖1所示。

圖1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的基本框架

1.2 并發(fā)廣播沖突問題

由于CAM消息中包含了道路交通安全相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并發(fā)廣播沖突造成的持續(xù)丟包會造成嚴(yán)重的交通安全隱患。并發(fā)廣播沖突問題在VANET網(wǎng)絡(luò)中存在兩種形式：一種是兩個或多個彼此不在各自廣播覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點同時廣播CAM消息，在其共同鄰居車輛處造成數(shù)據(jù)沖突；另一種則是兩個或多個彼此位于對方的廣播覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點同時廣播CAM消息，在其自身處造成數(shù)據(jù)沖突。兩種形式的并發(fā)廣播沖突都將造成持續(xù)的CAM消息丟包。并發(fā)廣播沖突的兩種產(chǎn)生形式如圖2所示。

圖2 并發(fā)廣播沖突示意圖

在圖2(a)中，當(dāng)車輛v1向鄰居車輛v3傳輸消息，而對面車道駛來的車輛v2也同時向車輛v3傳輸消息，則兩者的并發(fā)廣播將在共同鄰居車輛v3處引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致車輛v3丟失車輛v1、v2發(fā)送的數(shù)據(jù)包。在圖2(b)中，當(dāng)車輛v1與對面車道的車輛v2同時駛?cè)雽Ψ降膫鬏敺秶鷷r，兩者的并發(fā)廣播將在自身處引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，造成兩輛車都將丟失對方發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的并發(fā)廣播沖突屬于無線通信領(lǐng)域隱藏終端問題的范疇。業(yè)內(nèi)對該問題的研究起步較早，目前已提出了較多解決方案。其中，握手協(xié)議是一種簡單、有效的方法，即發(fā)送和接收節(jié)點通過傳輸RTS/CTS信號預(yù)約信道，確認(rèn)空閑后才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。典型的握手協(xié)議包括載波偵聽多路訪問(carrier sense multiple access with collision avoidance,CSMA/CA)、多路訪問沖突避免(multiple access collision avoidance,MACA)、無線多路訪問碰撞回避(multiple access collision avoidance for wireless,MACAW)等。然而，由于VANET網(wǎng)絡(luò)中的車輛節(jié)點以廣播通信模式為主，且車輛具有動態(tài)變化性，因此握手協(xié)議并不適用于VANET網(wǎng)絡(luò)。

2 并發(fā)廣播沖突問題研究現(xiàn)狀

考慮到車輛節(jié)點的快速移動特性，現(xiàn)有針對VANET網(wǎng)絡(luò)中并發(fā)廣播沖突問題的解決方案大致可分為三類，即硬件輔助控制、路由信息交互以及主節(jié)點控制。

2.1 硬件輔助控制

硬件輔助控制是指車輛通過控制其搭載的硬件設(shè)施，如天線、收發(fā)器等，對車輛間的并發(fā)廣播沖突進(jìn)行處理。

馬曉明[3]等在提出的分布式跨層協(xié)議中規(guī)定，車輛廣播的消息按優(yōu)先級劃分為一級緊急消息、二級緊急消息以及例行廣播消息。車輛在廣播一級緊急消息、二級緊急消息時，將同步開啟雙頻忙音。鄰車接收到忙音后將不會在同一時刻廣播自身的消息，直至忙音消失。這可以避免并發(fā)廣播沖突。然而，車輛開啟忙音將會占據(jù)部分帶寬，浪費信道資源。同時，開啟忙音通常需要車輛架設(shè)兩根天線，引入了不菲的硬件開銷。

文獻(xiàn)[4]通過調(diào)整傳輸功率，對并發(fā)廣播沖突進(jìn)行控制。其核心思想是車輛根據(jù)車輛密度等信息調(diào)整傳輸功率，避免發(fā)生并發(fā)廣播沖突。當(dāng)車輛密度較大時，車輛降低傳輸功率以減小傳輸范圍。即使此時有其他正在廣播的車輛，但雙方的傳輸范圍互不覆蓋，因此不會發(fā)生并發(fā)廣播沖突。然而，由于傳輸范圍變小，車輛僅能獲得少數(shù)鄰車的CAM消息，無法滿足其安全行駛的需求。

李帥兵[5]等提出一種基于模糊邏輯的自適應(yīng)功率控制策略(adaptive power control strategy based on fuzzy logic,FAPCS)。他們建立了理論傳輸范圍計算模型，預(yù)測出車輛密度和滿足90%的CAM消息傳輸率時的傳輸功率。相較于其他方案，F(xiàn)APCS調(diào)整傳輸功率時不僅取決于車輛密度值，還取決于車輛能否獲取足夠的道路安全信息。

Li Shujing[6]等提出一種調(diào)整傳輸功率與沖突檢測并行的方案。該方案中，車輛具有兩種傳輸功率(即P1、P0)和兩種傳輸范圍(即R1、R0)，如果車輛在通信過程中檢測到有兩輛車占用同一時隙，存在發(fā)生沖突的風(fēng)險，則該車輛將在其CAM消息中發(fā)出通知。沖突方將根據(jù)其與占用同一車輛的相對距離大小，作出調(diào)整傳輸功率或跳轉(zhuǎn)時隙的處理。

硬件輔助控制能夠有效控制并發(fā)廣播沖突，但也存在不足。文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[6]利用功率對并發(fā)廣播沖突進(jìn)行控制時，忽略了車輛對道路安全信息的需求。此外，絕大部分硬件輔助控制方案不具備自主檢測沖突能力。同時，該類方案通常會引入硬件開銷，增加了成本。

2.2 路由信息交互

路由信息交互即車輛將自身維護(hù)的鄰車列表、幀信息列表等與周圍鄰車進(jìn)行共享，從而對已發(fā)生或潛在的并發(fā)廣播沖突進(jìn)行檢測和處理。

Van Dung Nguyen[7]等在時分多址接入?yún)f(xié)議(time division multiple access,TDMA)的基礎(chǔ)上，提出基于路基單元輔助的檢測沖突(RSU coordination for TDMA-based MAC,RCMAC)方案。在RCMAC中，車輛及RSU均維護(hù)單跳鄰車列表(one-hop neighbors list,ONL)，以記錄車輛的鄰車對時隙的占用情況。當(dāng)車輛訪問信道時，將隨機占用時隙，根據(jù)接收到的消息更新自身的ONL。同時，RSU將整合其傳輸范圍內(nèi)所有車輛的ONL，并在每一幀開始時廣播，以調(diào)度其傳輸范圍內(nèi)的車輛廣播。

RCMAC能夠?qū)撛诨蛞寻l(fā)生的并發(fā)廣播沖突進(jìn)行處理，但其工作過程嚴(yán)重依賴RSU。針對此問題，Zou Rui[8]等在VeMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出一種無沖突預(yù)約(collision free reservation,CFR)協(xié)議。CFR協(xié)議仿照VeMAC協(xié)議，將每一幀分為兩個時隙集，從而分配給不同行駛方向的車輛，解決了不同行駛方向的車輛相遇時產(chǎn)生的并發(fā)廣播問題。此外，CFR規(guī)定每輛車均維護(hù)一個幀信息(frame information,FI)列表，從而記錄當(dāng)前的時隙狀態(tài)、車輛ID等信息。車輛訪問信道時，將初步生成自身的FI列表，并將其狀態(tài)標(biāo)記為free(空閑)、collision(沖突)、busy-1(被其一跳鄰車占用)、busy-2(被其二跳鄰車占用)，從而占據(jù)時隙、避免沖突。

VeMAC協(xié)議通過劃分時隙集解決了不同行駛方向的車輛在相遇時產(chǎn)生的并發(fā)廣播沖突。然而，VeMAC中的時隙集大小是固定的。這使得VeMAC在一些特殊的交通場景中的發(fā)揮出的性能并不盡如人意，如繁忙的十字路口。針對此問題，文獻(xiàn)[9]在VeMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了A-VeMAC協(xié)議。A-VeMAC協(xié)議在分配時隙集時考慮到兩邊車道上車流量的因素，使車流量多的車道獲得更多的時隙，從而完善了VeMAC方案中的不足。

RCMAC和CFR檢測沖突時都依賴于沖突方各自的一跳鄰車。如果此時沖突方均不存在一跳鄰車，則無法檢測到并發(fā)廣播沖突。但總體而言，路由信息交互仍憑借其具備的自主檢測能力而成為目前較為主流的并發(fā)廣播沖突檢測方案。

2.3 主節(jié)點控制

主節(jié)點控制是指利用中心節(jié)點簇頭(cluster head,CH)對車輛的廣播進(jìn)行調(diào)度，避免發(fā)生并發(fā)廣播沖突。此類方案通過集群形成算法將車輛整合為集群，篩選出具有最優(yōu)條件的車輛成為簇頭，并利用簇頭對集群內(nèi)部的車輛進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)無沖突廣播。

Yvonne Gunter[10]等提出的基于集群的介質(zhì)訪問控制(cluster based medium access control,CBMAC)協(xié)議將車輛整合為集群的形式行駛，并通過算法篩選出中心節(jié)點作為簇頭，由簇頭安排集群內(nèi)車輛的廣播；同時，重新定義了幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 幀結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知：每一幀劃分為車輛廣播階段與隨機訪問階段，車輛廣播階段中的頭兩個時隙固定分配給簇頭。時隙1中，簇頭將廣播信標(biāo)消息，接收到信標(biāo)消息的車輛均默認(rèn)自身加入由該簇頭管理的集群。時隙2中，簇頭將廣播當(dāng)前幀的廣播安排，以免集群內(nèi)部車輛發(fā)生廣播沖突。新車輛加入時將在隨機訪問階段廣播注冊消息以申請時隙。簇頭接收到新車輛的注冊消息后，將為其安排時隙。該方法解決了并發(fā)廣播沖突問題。然而，由于時隙的總數(shù)是不變的，在車輛密度較大的交通環(huán)境中，集群內(nèi)部可能因為車輛總數(shù)超過時隙總數(shù)而發(fā)生并發(fā)廣播沖突。文獻(xiàn)[11]提出的TC-MAC協(xié)議規(guī)定，根據(jù)車輛密度動態(tài)變化時隙數(shù)目，確保車輛能以最大公平性接入信道。在極端情況下，即使車輛數(shù)超過時隙數(shù)，簇頭也可根據(jù)車輛的地理位置安排距離較遠(yuǎn)的車輛對時隙進(jìn)行復(fù)用，從而充分利用信道資源。

然而，上述方案未考慮集群間的廣播沖突問題。因此，Aghmaz Ul Haq等[12]提出一種基于車輛位置和移動方向(location and mobility-aware clustering based TDMA,LMA-CT)協(xié)議，解決了集群間的并發(fā)廣播問題。LMA-CT借鑒了VeMAC協(xié)議，將一幀劃分為兩個時隙集，使不同行駛方向的車輛占用不同的時隙集。此外，LMA-CT協(xié)議規(guī)定：車輛均維護(hù)一個FI列表，由車輛實時交換并更新FI列表，以占用無沖突時隙；同時，對已發(fā)生的沖突進(jìn)行檢測及處理。

基于主節(jié)點控制的方法能夠有效地解決并發(fā)廣播沖突。但集群行駛目前僅是一個構(gòu)想，存在如集群的形成、維護(hù)、簇頭選擇等問題。盡管如此，此類方案仍具有廣闊的發(fā)展前景。

2.4 性能比較

為了從性能上對上述三類方案進(jìn)行對比，利用以下指標(biāo)進(jìn)行評價。

①自主檢測能力：評價方案是否具備自主檢測并發(fā)廣播沖突的能力。

②源頭阻截能力：評價方案是否具備防止并發(fā)廣播沖突發(fā)生的能力。

③適應(yīng)性：評價方案在不同交通環(huán)境中是否均具備檢測沖突或防止沖突發(fā)生的能力。

④硬件開銷：評價方案在解決問題的同時是否引入額外的硬件開銷。

⑤通信開銷：評價方案在解決問題的同時是否引入額外的通信開銷。

方案性能對比如表1所示。

表1 方案性能對比

3 存在的問題與未來研究方向

3.1 存在的問題

通過對上述三類方案的闡述與比較，可大致歸納出目前在解決并發(fā)廣播沖突問題上存在的幾個問題。

①成本問題。

文獻(xiàn)[3]需要車輛裝設(shè)兩根天線，引入了不菲的硬件開銷。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]需要車輛維護(hù)路由信息表，產(chǎn)生了額外通信開銷。

②分布式網(wǎng)絡(luò)中的沖突檢測及處理。

目前，部分文獻(xiàn)在解決并發(fā)廣播沖突時假設(shè)車輛能夠獲得全局網(wǎng)絡(luò)信息。然而，這種假設(shè)在真實的VANET網(wǎng)絡(luò)中是不現(xiàn)實的，甚至是不可能實現(xiàn)的。

③集群的相關(guān)問題。

主節(jié)點控制引入了集群的形成、維護(hù)、簇頭選擇等問題，但目前業(yè)內(nèi)對這些問題的研究也尚未形成共識。

3.2 未來研究方向

①低成本化的解決方案。

考慮到未來VANET網(wǎng)絡(luò)將大范圍投入使用，同時網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點數(shù)目眾多，并發(fā)廣播沖突解決方案的低成本化勢在必行。

②適用于分布式網(wǎng)絡(luò)的解決方案。

未來，在對VANET網(wǎng)絡(luò)中的并發(fā)廣播沖突問題研究時，需充分考慮到VANET網(wǎng)絡(luò)的特性。

③集群的行駛模式。

集群行駛的模式不失為未來VANET網(wǎng)絡(luò)的一個重要發(fā)展方向，因此可在集群間的廣播沖突方面展開深入研究。

④車輛丟包的后續(xù)處理。

在有效時間內(nèi)對丟失的數(shù)據(jù)包進(jìn)行恢復(fù)，將是目前及未來的研究重心之一。

4 結(jié)論

VANET網(wǎng)絡(luò)在車輛通信方面發(fā)揮著巨大的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。并發(fā)廣播沖突問題的存在嚴(yán)重影響了車輛間的數(shù)據(jù)包交換，對安全行駛造成了潛在隱患。因此，檢測并處理并發(fā)廣播沖突對VANET網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而言具有長遠(yuǎn)意義。本文對目前已提出的并發(fā)廣播沖突解決方案進(jìn)行了總結(jié)與分類，分析了各類方案中的優(yōu)缺點，提出所述方案中存在的一些問題，并列出了解決VANET網(wǎng)絡(luò)中并發(fā)廣播問題的幾個方向。該研究為后續(xù)并發(fā)廣播沖突的處理提供了借鑒。